ESTUDO DA POTENCIALIDADE DA MATÉRIA-PRIMA DO CRATO/CE PARA UTILIZAÇÃO EM CERÂMICA ESTRUTURAL - PARTE I – CARACTERIZAÇÃO
TECNOLÓGICA
J.C.S. Andrade1,3; G.M. Santos2; K.M. Saldanha3 J.C.C. Sales Júnior;1,3 R.M. Nascimento1,3; C.A. Paskocimas1,3
1
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
2
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - PPGEM
3
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Núcleo de Tecnologia Industrial
Laboratório de Engenharia de Materiais Campus Universitário - Lagoa Nova
CEP.: 59072-970, CP.: 1524, Natal - RN, Brasil jean@ufrnet.br
RESUMO
A limitação de informações sobre as características químicas, mineralógicas e térmicas da matéria-prima usada no processo de fabricação dos produtos cerâmicos na região do Cariri, mais precisamente na cidade do Crato, estado do Ceará, motivou o desenvolvimento deste trabalho, visto que nesta região existem cerâmicas que num contexto geral figuram como cadeias produtivas importantes no estado. As características foram avaliadas através de ensaios de limite de liquidez, limite de plasticidade, índice de plasticidade, como também por análise química por fluorescência de raios X, análise de fases por difração de raios X, e análise térmica (análise termogravimétrica). Os resultados mostraram que a matéria-prima tem excelente distribuição granulométrica e características aceitáveis para o processamento de peças estruturais de cor escura a vermelha, necessitando da mistura de uma argila menos plástica com granulação grossa, que funciona como redutor de plasticidade.
Palavras-chave: argila, caracterização tecnológica, cerâmica estrutural, região do Cariri/CE
INTRODUÇÃO
Particularmente no Estado do Ceará, as empresas de cerâmica vermelha são de pequeno porte, e representam papel importante no desenvolvimento com participação na distribuição de renda, na absorção de mão-de-obra e significativa participação no produto interno bruto.
A cidade do Crato é situada no Cariri cearense, extremo sul do estado do Ceará, fronteira com o estado de Pernambuco, apresentado na Figura 1.
Figura 1: Distribuição das empresas por município do Estado do Ceará.
As empresas do interior do ceará, mais precisamente na cidade do Crato, onde se encontra a maior concentração de empresas da região do cariri, a extração da
matéria-prima é feita por todas as empresas no mesmo local, ou seja, uma jazida que atende a esse pólo industrial.
Com isso, as características dos produtos dessas empresas são em certo ponto parecidas, visto que as formas de fabricação são semelhantes. Estes aspectos motivaram o desenvolvimento deste trabalho.
MATERIAIS E METÓDOS
Para o desenvolvimento deste trabalho, utilizou-se a matéria-prima que é usada na fabricação de peças (telhas, lajotas e tijolos), fornecidos por uma indústria do Crato/CE.
A caracterização tecnológica da matéria-prima fornecida pela indústria foi realizada conforme o esquema da Figura 2.
Figura 2: Metodologia usada na etapa de caracterização.
A preparação e caracterização tecnológica consistiram na secagem da matéria-prima na temperatura de 110ºC ± 5ºC, em seguida a desagregação ocorreu com destorroamento manual. Após a moagem a matéria-prima foi acondicionada em saco plástico. Em seguida foram geradas alíquotas distribuídas para os ensaios de
ANÁLISE GRANULOMÉTRICA (AG)
ANÁLISE DE PLÁSTICIDADE (LQ, LP e IP)
ANÁLISE POR FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X (FRX)
ANÁLISE POR DIFRAÇÃO DE RAIOS X (DRX) ANÁLISE TÉRMICA (ATG/DTG)
AMOSTRA (ARGILA CRATO)
ACONDICIONAMENTO EM SACO PLÁSTICO SECAGEM (24h) – ESTUFA 110ºC ± 5ºC
MOAGEM PENEIRAMENTO
limite de liquidez, limite de plasticidade, índice de plasticidade, como também por análise granulométrica, por análise química por fluorescência de raios X, análise de fases por difração de raios X, e análise térmica, por análise termogravimétrica(1).
Limite de liquidez, limite de plasticidade e índice de plasticidade
Para se obter uma melhor trabalhabilidade da massa cerâmica para alcançar um produto de qualidade, faz-se necessário determinar o limite de liquidez, o limite de plasticidade e índice de plasticidade. Para os solos cuja textura haja uma certa percentagem de fração fina, não basta apenas a granulometria para caracterizá-los, pois suas propriedades plásticas dependem do teor de umidade, além da forma, tamanho, e estrutura(2), como também da interferência de aditivos na sua trabalhabilidade, além da temperatura, controle de acidez, alcalinidade, e da composição química e mineralógica(3). A plasticidade é uma propriedade fundamental das argilas e aparece pela adição adequada de água, formando-se uma massa pastosa, que possa manter a forma após a retirada do esforço deformante. A quantidade de água necessária para o início do fenômeno chamado de limite de plasticidade(4) e para o fim do estado denominado limite de liquidez(5) são conhecidos como índices de Atterberg. A diferença entre os limites de liquidez e de plasticidade denomina-se índice de plasticidade (IP), o qual define as zonas que determinam características das argilas para a aplicação requerida. A preparação das amostras para este ensaio, os equipamentos utilizados e as condições de ensaio foram seguidos de acordo com as Normas Técnicas citadas anteriormente.
Os solos argilosos poderão ser classificados em(1):
Fracamente plásticos: 1 < IP < 7 Medianamente plásticos: 7 < IP < 15 Altamente plásticos: IP > 15
Análise granulométrica
A etapa de análise granulométrica (AG) foi realizada em um granulômetro a laser da marca CILAS, modelo 920L. Na análise pequenas quantidades da amostra pré-selecionada na peneira nº 40 (abertura de 0,42mm) ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), foram dispersas em meio aquoso sob perturbação mecânica (ultra-som) durante 1 min.
Análise química por fluorescência de raios X
Na análise química (FRX) foi utilizado um espectrômetro modelo EDX-700 da marca Shimadzu. A amostra enviada para análise foi passante na peneira da malha nº 200 da ABNT (0,074mm de abertura).
Análise mineralógica por difração de raios X
A análise de difração de raios X (DRX) foi realizada em um difratomêtro XRD-6000 da Shimadzu alocado no Laboratório de Ensaios de Materiais do Centro de tecnologia do gás (CTGÁS). A amostras passante na peneira ABNT nº 200 (abertura de 0,074 mm) foi submetida as seguintes condições de ensaio: tubo de Cu = (λ=1,54056 Å) , como fonte primária de raios X, tensão de 40 kV, corrente de 30 mA, varredura de 2º a 80º para 2θ, velocidade de 2º/min e passo de 0,02º. Para a identificação dos picos foi usado o software JCPDF cadastradas no ICDD (Internacional Centre for Difraction Data).
Análise térmica
Análise termogravimétrica
As curvas termogravimétricas foram obtidas utilizado um analisador termogravimétrico modelo ATG-50 da Shimadzu. A Análise termogravimétrica (TGA) foi realizada simultaneamente a ATD, portanto nas mesmas condições (atmosfera, amostragem e ciclo térmico).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O limite de liquidez (LL), o limite de plasticidade (LP) e o índice de plasticidade (IP) foram determinados com o objetivo de verificar a plasticidade da amostra. Os resultados podem ser observados na Tabela I.
Tabela I: Resultados dos ensaios de plasticidade.
Amostra
LL LP IP
Classificação %H2O
A amostra foi classificada em argila altamente plástica, pois obteve índice de plasticidade superior a 15% (IP=20,82) e, portanto uma larga faixa de consistência plástica. Deve ser adicionada a essa amostra uma argila menos plástica rica em quartzo que funciona como redutor de plasticidade.
A Figura 3 mostra a curva granulométrica da amostra analisada neste trabalho. Sendo obtidos os coeficientes de uniformidade (CU) e de distribuição (CD).
Figura 3: Curva granulométrica da amostra
O coeficiente de uniformidade (CU) é dado pela razão D60/D10, quanto maior o
valor do CU mais desuniforme é a granulometria da amostra. No estudo este
coeficiente apresentou um valor de (4,53), mostrando assim, uniformidade no tamanho das partículas.
O coeficiente de distribuição (CD) é dado pela razão D90/D10, este parâmetro
indica a extensão da faixa granulométrica ocupada pelas partículas da amostra analisada. Quanto mais larga a faixa granulométrica, mais desuniforme o tamanho das partículas. No estudo este coeficiente apresentou um valor de (12,90), portanto uma estreita faixa. O que determina um solo uniforme concordando com o resultado
apresentado acima. Na Tabela II verifica-se as características granulométricas da amostra.
Tabela II: Características granulométricas da amostra. Amostra D10 D60 D90 DM
CU CD Teor de finos < 2µm (% em volume) µm
Argila Crato 1,46 6,62 18,84 8,9 4,53 12,90 14,12
Com relação ao diâmetro médio e o teor de finos, estes apresentaram valores de (8,9) e (14,12) respectivamente.
Observando os valores da composição química, verifica-se que a amostra apresenta óxido de silício (SiO2), indicando a presença de silicatos e sílica livre
correspondente ao quartzo. A presença da sílica origina uma redução na plasticidade, aumenta a permeabilidade e o coeficiente de expansão térmica melhorando a estabilidade(6). Os resultados podem ser observados na Tabela III:
Tabela III: Resultados da análise química.
Principais elementos (% em peso)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 K2O SO3 MgO TiO2 CaO Outros 56,84 25,16 8,89 3,78 1,72 1,62 1,21 0,49 0,29
O teor de Al2O3 (25,16%) e está relacionado com a proporção do mineral
argiloso. O óxido de ferro Fe2O3 (8,89%) presente quantifica a cor vermelha da
amostra após a queima, reduz a plasticidade, mas também diminui a retração e facilita a secagem. O óxido de potássio (K2O) age como fundente melhorando a
vitrificação dos materiais cerâmicos na faixa de temperatura de 950 ºC a 1000 ºC. O MgO e CaO também agem como fundentes diminuindo a tendência de refratariedade. O óxido de titânio TiO2 desvia a cor para um tom alaranjado(7,8).
Na Figura 4,observa-se a presença de caulinita como constituinte argiloso e do quartzo como mineral acessório conforme análise racional.
Figura 4: Difratograma da amostra.
O resultado da análise racional é mostrado na Tabela IV. A amostra possui a caulinita como argilomineral predominante e o quartzo como mineral acessório(9).
Tabela IV: Resultado da análise racional da amostra
Amostra
K I M Q G Outro Soma
(%)
Argila Crato 70,80 5,10 - 24,10 - - 100
Na Figura 5, observa-se que existem duas faixas de temperatura em que a perda de massa é mais evidente como mostra na curva termogravimétrica (TGA).
Figura 5: Resultado da análise termogravimétrica.
Na análise da curva TGA verifica-se que a perda total de massa foi de 15,8%. O primeiro pico a 100 ºC indica presença de água livre e água adsorvida (pico endotérmico), o segundo pico endotérmico na faixa de 450 ºC a 550 ºC, está relacionado à eliminação de íons OH- da argila(10). A partir de 1000 ºC os argilominerais se reorganizam em novas estruturas cristalinas, a queda de absorção de água evidencia o preenchimento dos poros.
CONCLUSÕES
Com base nos resultados obtidos neste trabalho, pôde-se constatar que a composição química da massa cerâmica apresentou um alto teor de sílica (56,84%) e um teor de ferro acima de 5%, (8,89%), sendo indicativo de cores avermelhadas após queima, fato este confirmado nas peças fabricadas na indústria de cerâmica estudada.
A amostra estudada apresentou em sua composição mineralógica após secagem, a presença de caulinita como argilomineral predominante, quartzo como
mineral acessório e um percentual de ilita. Nos parâmetros de plasticidade, a amostra da argila apresentou um resultado que a definiu como altamente plástica, necessitando assim da mistura de uma argila menos plástica com granulação grossa, que funciona como redutor de plasticidade.
REFERÊNCIAS
(1) ANDRADE, J.C.S., PASKOCIMAS, C.A., Incorporação de resíduo sólido
proveniente do polimento de grês porcelanato na indústria de cerâmica vermelha. In:
51º CONGRESSO BRASILEIRO DE CERÂMICA, Salvador, BA, 2007. Anais... São Paulo, ABC, 2007, p.1-12. Ref. 3-29. Disponível em: http://www.abceram.org.br/51cbc/51cbc_inicial.htm. Acesso em: 10 de março de 2009.
(2) CAPUTO, H. P., 1981, Mecânica dos Solos e suas Aplicações, Ed. Livros Técnicos e Científicos S.A., 5ª Ed. Rio de Janeiro, 219 p.
(3) BRUGUERA, JORDI. Manual Práctico de Cerámica; 1ª Edição, Editora Omega, Barcelona, 1986.
(4) ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 7180-84, Solo: Determinação do limite de plasticidade, 1984, 3p.
(5) ABNT, Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 6459-84, Solo: Determinação do limite de liquidez, 1984, 6p.
(6) BARBA, A., FELIU, C, et. al. Materias primas para la fabricación de soportes de baldosas cerámicas. 1ed. Castellón: Instituto de Tecnología Cerámica - AICE, 1997, 290p.
(7) ZANDONADI, R., Estudo Tecnológico de Argilas Brasileiras, Tese de Doutorado do Instituto de Química da USP, São Paulo, 1995.
(8) GRIM, R.E. – Clay Mineralogy, 1a ed., McGraw-Hill Book Co, New York, 1953, 2a ed., 1968.
(9) VARELA, M. L., Desenvolvimento de uma metodologia para análise mineralógica racional de argilomineral. 2004. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2004.
(10) FREITAS, F.C.G. - Análises Termográficas na Queima de Cerâmica Vermelha, em Fornos Intermitentes a Gás GLP, da Região de Ceará – Mirim. Dissertação de Mestrado, UFRN, Natal/RN, 2003.
STUDY OF POTENTIALITY OF RAW MATERIAL OF CRATO/CE FOR USE IN STRUCTURAL CERAMICS - PART I - TECHNOLOGICAL
CHARACTERIZATION
ABSTRACT
The limitation of information on chemical, mineralogical and thermal characteristics of raw material used in process of manufacture of ceramic products in the region of Cariri, specifically the city of Crato, state of Ceará, motivated the development of this work, since this region ceramics exist that in a general context they appear as important productive chains in the state. The characteristics were evaluated by tests of limit of liquidity, limit of plasticity, index of plasticity, but also by chemical analysis for fluorescence of rays X, analysis of phases for diffraction of rays X, and thermal analysis (thermogratimetric analysis). The results showed that the raw material has excellent size distribution and characteristics acceptable to the processing of structural components of dark color the red, requiring a mixture of clay with coarse less plastic which granulation, that functions as reducer of plasticity.
